Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ là gì? Nghiên cứu liên quan

Định nghĩa độ nhớt và tầm quan trọng trong kỹ thuật

Độ nhớt (viscosity) là đại lượng vật lý mô tả khả năng của một chất lỏng chống lại sự biến dạng do lực cắt hoặc dòng chảy. Nói cách khác, nó là thước đo ma sát nội tại giữa các lớp phân tử khi chất lỏng chuyển động. Trong kỹ thuật, độ nhớt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành của các thiết bị liên quan đến chất lỏng, từ bơm, van, đường ống đến động cơ và máy móc.

Có hai loại độ nhớt phổ biến là độ nhớt động lực học $\mu$ (đơn vị: Pa·s hoặc cP) và độ nhớt động học $\nu$ (đơn vị: m²/s). Mối quan hệ giữa chúng là: $\nu = \frac{\mu}{\rho}$ trong đó $\rho$ là mật độ của chất lỏng. Độ nhớt càng cao thì chất lỏng càng đặc và chảy càng chậm. Độ nhớt thấp đồng nghĩa với dòng chảy nhanh, dễ khuếch tán nhưng có thể làm giảm khả năng bôi trơn hoặc kiểm soát.

Trong công nghiệp, việc nắm rõ độ nhớt giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống ống dẫn, chọn vật liệu thiết bị phù hợp, điều chỉnh thông số quá trình và đảm bảo an toàn vận hành. Ví dụ, dầu nhờn cần có độ nhớt phù hợp để duy trì lớp màng bôi trơn ổn định trong điều kiện tải trọng và nhiệt độ thay đổi.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt

Độ nhớt của chất lỏng thay đổi mạnh theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt kích thích chuyển động phân tử, làm giảm liên kết nội phân tử, dẫn đến độ nhớt giảm. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, phân tử chuyển động chậm hơn, các liên kết nội tại tăng lên, khiến chất lỏng trở nên đặc hơn. Đây là đặc trưng quan trọng của chất lỏng Newton.

Trong khi đó, chất khí lại thể hiện hành vi ngược lại. Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của khí cũng tăng, vì sự va chạm phân tử diễn ra thường xuyên hơn và làm tăng khả năng truyền động lượng. Điều này là khác biệt đáng kể so với chất lỏng và cần được xét đến riêng biệt khi mô hình hóa trong kỹ thuật nhiệt hoặc động lực học chất khí.

Ví dụ về độ nhớt của nước theo nhiệt độ:

Nhiệt độ (°C)	Độ nhớt động lực học (mPa·s)
0	1.79
20	1.00
40	0.65
60	0.47
80	0.36
100	0.28

Biểu đồ độ nhớt – nhiệt độ thường có dạng hàm mũ giảm đối với chất lỏng, trong khi với chất khí là hàm tăng nhẹ. Do đó, việc hiệu chỉnh độ nhớt theo nhiệt độ là cần thiết trong hầu hết mô hình kỹ thuật.

Phương trình thực nghiệm mô tả mối quan hệ độ nhớt – nhiệt độ

Để mô tả chính xác mối quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ, nhiều công thức thực nghiệm đã được xây dựng. Một trong những phương trình phổ biến nhất là phương trình dạng Arrhenius:

$\mu = A \cdot e^{\frac{E}{RT}}$ trong đó:

• $\mu$: độ nhớt động lực học (Pa·s)
• $A$: hằng số tiền hàm (pre-exponential factor)
• $E$: năng lượng hoạt hóa (J/mol)
• $R$: hằng số khí lý tưởng (8.314 J/mol·K)
• $T$: nhiệt độ tuyệt đối (K)

Phương trình này mô tả đúng xu hướng giảm độ nhớt khi tăng nhiệt độ với các chất lỏng đơn giản. Tuy nhiên, để phù hợp hơn với dữ liệu thực tế, phương trình Andrade được sử dụng rộng rãi hơn trong các tài liệu kỹ thuật: $\mu = B \cdot e^{\frac{C}{T}}$ với $B$ và $C$ là hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào chất cụ thể.

Việc lựa chọn mô hình phù hợp cần dựa trên dữ liệu thực nghiệm hoặc bảng tra tiêu chuẩn, đặc biệt trong mô phỏng hoặc thiết kế hệ thống nhiệt – cơ có điều kiện làm việc thay đổi lớn.

Sự khác biệt giữa chất lỏng và chất khí

Sự khác biệt cơ bản trong hành vi độ nhớt giữa chất lỏng và chất khí bắt nguồn từ cơ chế truyền động lượng khác nhau. Trong chất lỏng, phân tử liên kết chặt chẽ, nên khi tăng nhiệt độ, các liên kết bị phá vỡ làm giảm độ nhớt. Ngược lại, chất khí có khoảng cách phân tử lớn và độ nhớt phát sinh chủ yếu từ va chạm giữa phân tử. Khi tăng nhiệt độ, tần suất va chạm tăng, dẫn đến độ nhớt tăng.

Đối với chất khí, một phương trình thường dùng là phương trình Sutherland:

$\mu = \mu_0 \cdot \left( \frac{T}{T_0} \right)^{3/2} \cdot \frac{T_0 + S}{T + S}$ trong đó:

• $\mu_0$: độ nhớt tại nhiệt độ chuẩn $T_0$
• $S$: hằng số Sutherland (phụ thuộc vào loại khí)

Phương trình này cung cấp mô hình gần đúng chính xác cho nhiều khí đơn giản trong dải nhiệt độ rộng. Ví dụ, với không khí khô ở điều kiện chuẩn $T_0 = 291.15 \, \text{K}$, \mu_0 = 1.827 \times 10^{-5} \, \text{Pa·s} , $S = 120$.

Nguồn tham khảo và bảng số liệu về độ nhớt của chất khí có tại Engineering Toolbox – Viscosity of Air.

Ứng dụng trong công nghiệp và kỹ thuật

Sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong hầu hết các ngành công nghiệp có liên quan đến chất lỏng hoặc khí. Việc kiểm soát độ nhớt theo nhiệt độ giúp đảm bảo hiệu quả, an toàn và tính ổn định trong sản xuất và vận hành.

Một số ứng dụng cụ thể:

• Hệ thống bôi trơn: Độ nhớt của dầu nhớt giảm nhanh theo nhiệt độ. Trong động cơ, nếu độ nhớt quá thấp ở nhiệt độ cao sẽ gây mất khả năng bảo vệ, còn nếu quá cao ở nhiệt độ thấp thì làm tăng lực cản và hao nhiên liệu.
• Truyền nhiệt: Trong các hệ thống truyền nhiệt cưỡng bức bằng dầu hoặc nước, độ nhớt thay đổi ảnh hưởng đến hệ số trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất trong ống dẫn.
• Quá trình polymer: Nhiều quy trình như ép đùn, đúc khuôn đòi hỏi độ nhớt được kiểm soát chính xác để đảm bảo hình dạng và tính chất cơ học của sản phẩm.
• Công nghệ thực phẩm: Ví dụ như xử lý sô cô la, xi-rô hoặc chất lỏng có độ nhớt cao đều yêu cầu nhiệt độ tối ưu để duy trì độ nhớt phù hợp trong suốt quá trình chế biến.

Sơ đồ dưới đây minh họa mức độ thay đổi độ nhớt của một số chất phổ biến theo nhiệt độ:

Chất	Độ nhớt ở 20°C (mPa·s)	Độ nhớt ở 80°C (mPa·s)	Mức giảm (%)
Nước	1.00	0.36	64%
Dầu bôi trơn SAE 30	200	15	92.5%
Siro glucose	1000	180	82%

Ảnh hưởng đến mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics)

Trong mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD), độ nhớt là một trong các thông số vật lý cơ bản. Độ nhớt ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy, kiểu dòng (tầng hay rối), tổn thất năng lượng, truyền nhiệt và phân bố áp suất. Nếu độ nhớt được xem là hằng số, kết quả mô phỏng có thể sai lệch lớn trong các hệ thống nhiệt độ biến đổi cao.

Để khắc phục, nhiều phần mềm mô phỏng như ANSYS Fluent, COMSOL hoặc OpenFOAM cho phép khai báo độ nhớt là hàm của nhiệt độ. Người dùng có thể nhập công thức (theo Arrhenius, Andrade…) hoặc bảng số liệu thực nghiệm để nội suy.

Khi mô hình hóa các hệ thống như:

• Ống dẫn dầu trong nhà máy điện
• Buồng đốt có gradient nhiệt cao
• Thiết bị trao đổi nhiệt công nghiệp

việc xét đến sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ là bắt buộc để đảm bảo kết quả mô phỏng có giá trị kỹ thuật.

Đo và hiệu chỉnh độ nhớt trong điều kiện thay đổi nhiệt độ

Độ nhớt được đo bằng các thiết bị như:

• Viscometer kiểu quay: đo mô-men xoắn trong chuyển động tròn
• Ống mao dẫn (capillary viscometer): đo thời gian chảy của chất lỏng trong ống
• Falling ball viscometer: tính toán dựa vào vận tốc rơi của viên bi trong chất lỏng

Khi đo độ nhớt trong điều kiện có thay đổi nhiệt độ, các thiết bị đo phải có buồng ổn định nhiệt hoặc tích hợp hệ thống làm nóng – làm lạnh chính xác. Dữ liệu thu được có thể được nội suy hoặc hiệu chỉnh thông qua phương trình thực nghiệm hoặc tra bảng tiêu chuẩn quốc tế.

Các phương pháp đo phổ biến tuân theo tiêu chuẩn như:

• ASTM D445: Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids
• ISO 3104: Petroleum products — Transparent and opaque liquids — Determination of kinematic viscosity and calculation of dynamic viscosity

Ví dụ thực tiễn từ ngành dầu nhờn và thực phẩm

Trong ngành dầu nhờn, dầu động cơ phải duy trì độ nhớt phù hợp trong dải nhiệt độ rộng – từ khi khởi động lạnh đến lúc vận hành ở nhiệt độ cao. Nếu độ nhớt quá thấp, lớp màng bôi trơn sẽ mất hiệu quả, dẫn đến mài mòn kim loại. Nếu quá cao, dầu khó bơm và gây tiêu hao năng lượng.

Dầu nhớt được phân loại theo chỉ số SAE (Society of Automotive Engineers), ví dụ SAE 5W-30, trong đó “5W” là khả năng vận hành ở nhiệt độ thấp và “30” là độ nhớt ở 100°C. Việc kiểm soát độ nhớt theo nhiệt độ là tiêu chí đánh giá chất lượng dầu động cơ.

Trong thực phẩm, ví dụ như sản xuất xi-rô, nhiệt độ được điều chỉnh để giảm độ nhớt khi bơm, sau đó làm nguội nhanh để ổn định kết cấu. Tương tự, trong sản xuất kem, sữa đặc hoặc mứt trái cây, độ nhớt ảnh hưởng đến khả năng phối trộn, độ ổn định và cảm giác khi ăn.

Phát triển vật liệu kiểm soát độ nhớt theo nhiệt độ

Gần đây, các nhà khoa học và kỹ sư vật liệu phát triển nhiều loại chất lỏng thông minh (smart fluids) có khả năng điều chỉnh độ nhớt theo nhiệt độ một cách có kiểm soát. Các hệ thống này dùng trong thiết bị giảm chấn, thiết bị vi cơ điện tử (MEMS), robot mềm và cảm biến môi trường.

Một ví dụ là vật liệu có cấu trúc micelle hoặc polymer nhiệt nhạy, có thể chuyển pha khi đạt đến nhiệt độ xác định (LCST hoặc UCST). Khi cấu trúc phân tử thay đổi, độ nhớt biến đổi đột ngột, từ đó tạo hiệu ứng điều khiển dòng chảy hoặc truyền lực.

Nghiên cứu chi tiết xem tại ACS Langmuir – Temperature-sensitive Micellar Fluids. Loại vật liệu này mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng điều khiển không cần nguồn năng lượng ngoài.

Tài liệu tham khảo

1. Engineering Toolbox – Viscosity of Air and Gases
2. ASTM D445 – Standard Test Method for Kinematic Viscosity
3. Chemical Engineering – How to Estimate Viscosity
4. ACS Langmuir – Temperature-sensitive Micellar Fluids
5. Chemical Engineering Science – Viscosity models of non-Newtonian fluids